CN100465613C - 一种在线检测大气颗粒物浓度的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线检测大气颗粒物浓度的方法及其装置，所述方法是基于机械振动装置等效的数学模型推导出的机械振动引起的频率变化与质量变化的关系得出大气颗粒物的浓度的原理，其步骤是：使体积为V的空气流通过一个质量为M1、振动频率为f1的大气颗粒物浓度振动测量装置，大气中的颗粒物被所述装置收集；检测所述装置在收集大气颗粒物之后的振动频率f2，并根据所述装置振动频率和质量的对应关系计算出装置加收集的大气颗粒物的总质量M2；大气颗粒物的浓度c＝((W2-W1)/V)×100%。所述装置由大气颗粒物收集器、激振器、拾振器和转换放大器组成。本发明在线监测，避免了将收集的颗粒物和滤纸带回实验室称重的步骤，省时省力，自动化程度高、且精确。

Description

一种在线检测大气颗粒物浓度的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料的方法，更具体地说是涉及一种在线检测大气颗粒物浓度的方法及其装置。

背景技术

目前，国内对于大气颗粒物浓度的在线监测研究仍是空白，采用的是离线称重法来测量大气颗粒物浓度。所谓离线称重法，以PM10为例，用带有入口切割粒径D50＝(10±1)μm、δg＝1.5±0.1的空气采样器和重量法结合测定。采样器常用的有冲击式和旋风式两种，前者可安装在大、中、小流量采样器上，而后者主要是用于小流量个体采样器上。小流量采样-重量法原理是利用二段冲击式采样器，在规定流量下采样，空气中的悬浮颗粒经惯性冲击分离，将空气动力学当量直径小于30μm(D30＝10μm、几何标准差δg＝1.5)的颗粒被过滤收集在恒重的滤料上，取下，再称量。两次质量之差为PM10的质量。以采样标准体积除以增加PM10的量，即得出空气中PM10质量浓度，计量单位用mg/m³表示。小流量采样-重量法采用的仪器由PM10采样器和分析天平组成。PM10采样器的仪器由分级采样器、采样时间控制器、恒流抽气泵和采样支架等部件配套组成。分级采样器对悬浮颗粒的捕集效率及上截止点30μm。采样器在规定流量下，流量稳定。使用时，用皂膜流量计校准采样系列在采样前和采样后的流量，流量误差应小于5％。分析天平的感量为0.1mg或0.01mg。滤料选用玻璃纤维滤纸或合成纤维滤膜，直径由所用的采样器决定，它需要在干燥器中平衡24h，称量至恒量(W1)。采样时，将恒重的滤料，毛面向上，平置于采样夹中，按采样器说明书操作，在采样器规定的流量下，采气8～24h。记录采样时温度和大气压力。采样后，小心取下采样滤料，尘面向里对折，放于清洁纸袋中，再放于样品盒内保存待用。将采过样的滤料，置于干燥器中平衡24h称量至质量恒定(W2)。采样前和后的滤料称量结果之差，即为PM10质量。称量后，将样品滤料低温保存，作颗粒物成分分析用。计算式为:c＝(W1-W2)×1000/Vo；式中:c是空气中PM10质量浓度，单位为mg/m3；W2是采样后滤料质量，单位为g；W1是采样前滤料质量，单位为g；Vo是换算成标准状况下的采样体积，单位为m3。注意其中的滤料称量分析的质量控制:在已平衡称量的滤料中，随机取4～5张滤料反复平衡称量10次以上，求出各张滤料的平均质量，作为称量质量控制的“标准滤料”。每次称量清洁样品或滤料时，“标准滤料”的质量超过平均质量的±0.45mg时，应重新平衡后，再称量或对天平进行调整校准。每次采样前还应认真清洁分级采样头的内外表面和分级喷嘴，安装时应防止漏气和压损滤料。这种大气颗粒物浓度分析方法步骤复杂且准确度低，而国外对大气颗粒物浓度的监测已经达到在线测量的水平，但具体利用何种原理进行测量以及测量装置的结构尚未可知。

发明内容

针对上述问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种在线监测大气颗粒物浓度的方法以及供该方法使用的装置以替代原有的离线监测大气颗粒物浓度的方法，从而提高大气颗粒物浓度测量的自动化程度和测量精度，使得测量大气颗粒物浓度的工作更为省时省力。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案:一种在线检测大气颗粒物浓度的方法，其特征在于，所述方法是基于机械振动装置等效的数学模型，所述的机械振动装置等效为一个机械的弹簧、质量、阻尼的二阶振荡系统，在一个二阶系统中，它有一个固有振动角频率ω和阻尼比ζ，分别由下列公式给出:

$\mathrm{\ω}=\sqrt{K/M}---\left(1\right)$

$\mathrm{\ζ}=C/2\sqrt{\mathrm{KM}}---\left(2\right)$

其中:K为膜片弹簧刚度，C为阻尼系数，

又因为:频率f＝ω/2π       (3)

将(1)式代入(3)式得: $f=\frac{\sqrt{K}}{2\mathrm{\π}\sqrt{M}}---\left(4\right)$

由(4)式推导得: $M=\frac{K}{4{\mathrm{\π}}^2{f}^2}=\frac{K}{4{\mathrm{\π}}^2}\×\frac{1}{f^2}$ (5)，对于振动装置，K与C均为固有常数，所以式(5)就是表明颗粒物质量M与振动装置振动频率f的关系式，所述基于机械振动装置等效的数学模型在线检测大气颗粒物浓度的方法，其步骤为:使体积为V的空气流通过一个质量为M1、振动频率为f1的大气颗粒物浓度振动测量装置，大气中的颗粒物被所述装置收集；检测所述装置在收集大气颗粒物之后的振动频率f2，并根据所述装置振动频率和质量的对应关系计算出装置加收集的大气颗粒物的总质量M2；大气颗粒物的浓度为： $N=\frac{M2-M1}{V}\×100\%.$

一种大气颗粒物浓度振动测量装置，由大气颗粒物收集器、激振器、拾振器和转换放大器组成；所述大气颗粒物收集器在顶部置有空气管道，该空气管道的一端伸入到振动筒，空气管道与振动筒无刚性连接，振动筒的内部置有带透气孔的搁板、其表面设有通气孔，搁板的上方置有滤纸、下方连接振动装置；所述振动装置包括:搁板下方的连杆、膜片弹簧、带气阻尼的膜盒以及支撑杆；所述激振器连接大气颗粒物收集器的振动筒，并将振动的频率输出到拾振器；所述拾振器将检测到的频率信号输出到转换放大器，所述转换放大器将该频率信号转换、放大为电信号。

所述搁板下方连接的振动装置上端是膜片弹簧、下端是带可调气阻尼孔的膜盒，该膜盒通过支撑杆与整个装置的基座相连，所述振动筒设在导向筒中。

本发明的有益效果是:本发明是一种在线监测大气颗粒物浓度的方法，提高了自动化程度，避免了以往离线检测方法需要将样本带回实验室称重测量的麻烦，省时省力，并且由于避免了将采样品带回实验室的路程中颗粒物的损失，提高了测量的精度。

附图说明

图1是所述大气颗粒物浓度测量装置结构示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明进一步详细描述:所述方法是基于机械振动装置等效的数学模型，所述的机械振动装置等效为一个机械的弹簧、质量、阻尼的二阶振荡系统，在一个二阶系统中，它有一个固有振动角频率ω和阻尼比ζ，分别由下列公式给出:

$\mathrm{\ω}=\sqrt{K/M}---\left(1\right)$

$\mathrm{\ζ}=C/2\sqrt{\mathrm{KM}}---\left(2\right)$

其中:K为膜片弹簧刚度，C为阻尼系数，

又因为:频率f＝ω/2π      (3)

将(1)式代入(3)式得: $f=\frac{\sqrt{K}}{2\mathrm{\π}\sqrt{M}}---\left(4\right)$

由(4)式推导得: $M=\frac{K}{4{\mathrm{\π}}^2{f}^2}=\frac{K}{4{\mathrm{\π}}^2}\×\frac{1}{f^2}$ (5)，对于振动装置，K与C均为固有常数，所以式(5)就是表明颗粒物质量M与振动装置振动频率f的关系式，所述基于机械振动装置等效的数学模型在线检测大气颗粒物浓度的方法，其步骤为:使体积为V的空气流通过一个质量为M1、振动频率为f1的大气颗粒物浓度振动测量装置，大气中的颗粒物被所述装置收集；检测所述装置在收集大气颗粒物之后的振动频率f2，并根据所述装置振动频率和质量的对应关系计算出装置加收集的大气颗粒物的总质量M2；大气颗粒物的浓度为： $N=\frac{M2-M1}{V}\×100\%.$

如图1所示，一种大气颗粒物浓度振动测量装置由大气颗粒物收集器18、激振器9、拾振器11和转换放大器13组成；所述大气颗粒物收集器18在顶部置有空气管道1，该空气管道1的一端伸入到振动筒2，且与振动筒2无刚性连接，振动筒2的内部置有带透气孔4的搁板5，搁板5的上方置有滤纸3、下方连接振动装置；所述振动装置包括:搁板5下方的连杆6、膜片弹簧7、带气阻尼的膜盒8以及支撑杆15；所述激振器9连接大气颗粒物收集器18的振动筒2，并将振动的频率输出到拾振器11；所述拾振器11将检测到的频率信号输出到转换放大器13，所述转换放大器13将该频率信号转换、放大为电信号，再通过一个标准化电路14将信号输出到数据处理装置。所述搁板5下方连接的振动装置上端是膜片弹簧7、下端是带气阻尼的膜盒8，该带气阻尼的膜盒8通过支撑杆15与整个装置的基座相连，其底部置有可调气阻尼孔10。所述振动筒2设在导向筒17中，导向筒17的表面设有通气孔(16)。所述搁板5通过连杆6连接膜片弹簧7。

测量时，首先将一定量的空气通过空气管道1进入振动筒2内，空气通过滤纸3和透气孔4，空气中所夫带的颗粒物便被阻隔而留在滤纸3上。振动筒2的底部有一连杆6连接一振动系统(弹簧-阻尼装置)，另外激振器9连于基座上。当激振器9以一固有频率起振，带动振动筒2一起振动，整个大气颗粒物收集器18的有效质量将对应一个拾振器11的频率输出(当滤纸上的颗粒物质量改变，则整个大气颗粒物收集器18的有效质量也改变，对应其振动的位移，速度，加速度都将不同，那么拾振器11输出的也将是不同的频率)。拾振器输出的频率信号经转换放大器13转换、放大，再由标准化电路14将电压信号转换成标准4～20mA电流信号输出到处理器进行处理。整个振动测量装置可以等效为一个机械的弹簧、质量、阻尼的二阶强迫振荡系统。在一个二阶系统中，它有一个固有振动角频率ω₀和阻尼比ζ，可以分别由下列公式给出:

${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{k/m}$

$\mathrm{\ζ}=C/2\sqrt{\mathrm{km}}$

式中:k-膜片弹簧刚度、m-有效振动质量、C-阻尼系数。

在这个设计中，我们需要借助于频率与质量的关系。当振动的有效质量增加，振动的固有频率就下降。显然，随着滤纸上的颗粒物收集程度的不同，振动的有效质量就改变，这样将得到不同的系统固有振动频率。检测出系统的固有振动频率值，就可以确定被测的滤纸及其上面颗粒物的总质量(M2)了。而滤纸的质量事先已称量好并被记录下来(M1)，则颗粒物的质量为(M2-M1)，颗粒物的浓度为： $N=\frac{M2-M1}{V}\×100\%.$

空气流进入干燥箱中的圆筒后，大气中的颗粒物由于滤纸的阻隔而被集中在滤纸表面上，其余空气经圆筒底部的透气孔流出。激振器固定于基座上，激振器以一个接近于原有固有频率的频率起振，给系统一个稳态激振输入，圆筒(振动筒)带着滤纸一块振动，由于滤纸上的颗粒物质量变化不会很大，所以整个振动系统接近谐振，输出振幅最大(最大的位移y)，这样就得到了对应最大位移的速度v和加速度a，这些量由拾振器检测出来经过一些处理得到频率输出信号。分析步骤:

第一步:估算有效振动质量M。M即为附图中滤纸加上圆椎体振动筒(包括搁板)的质量。

第二步:查阅相关弹性元件手册，先假设K的值。(弹性元件有很多种，包括:片簧、平面涡卷簧、螺旋弹簧、压力弹簧管、波纹管、膜片等。假设我们选用膜片式弹簧，并假设弹簧刚度系数:K＝1000000N/m)。

第三步:假设相对阻尼系数ζ＝0.7(经验证明0.7时是系统灵敏度最高的时候)。

第四步:计算出阻尼系数C。

       阻尼系数 $C=2\mathrm{\ζ}\sqrt{\mathrm{KM}}$

第五步:将所确定的几个常数代入计算公式，推导出f与M之间的函数关系式。

$\mathrm{\ω}=\sqrt{\frac{K}{M}}=\sqrt{\frac{1000000}{M}}$

∴ $f=\frac{\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}=\frac{\sqrt{\frac{K}{M}}}{2\mathrm{\π}}=\frac{\sqrt{K}}{2\mathrm{\π}\sqrt{M}}=\frac{\sqrt{1000000}}{2\mathrm{\π}\sqrt{M}}\≈\frac{159.1549}{\sqrt{M}}$

第六步:根据函数关系式继续推导出频率变化Δf与质量变化Δm之间的关系。

$\mathrm{\Δ\ω}=|\sqrt{\frac{1000000}{M+\mathrm{\Δm}}}-\sqrt{\frac{1000000}{M}}|$

$\mathrm{\Δf}=|\frac{\sqrt{10000000}}{2\mathrm{\π}\sqrt{M+\mathrm{\Δm}}}-\frac{\sqrt{1000000}}{2\mathrm{\π}\sqrt{M}}|$

经泰勒级数展开后化为: $\mathrm{\Δf}=-\frac{1}{2}\frac{\mathrm{\Δm}}{{(M+\mathrm{\Δm})}^{3/2}}$

M为初始系统有效质量(即Δm＝0时)；当M>>Δm时，时，Δf与Δm近似呈线性关系。这样我们就通过检测频率的变化检测出了质量的变化，那么就可以方便的求得大气颗粒物的浓度了。

以上所述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种在线检测大气颗粒物浓度的方法，其特征在于，所述方法是基于机械振动装置等效的数学模型，所述的机械振动装置等效为一个机械的弹簧、质量、阻尼的二阶振荡系统，在一个二阶系统中，它有一个固有振动角频率ω和阻尼比ζ，分别由下列公式给出:

$\mathrm{\ω}=\sqrt{K/M}---\left(1\right)$

$\mathrm{\ζ}=C/2\sqrt{\mathrm{KM}}---\left(2\right)$

其中:K为膜片弹簧刚度，C为阻尼系数，

又因为:频率f＝ω/2π              (3)

将(1)式代入(3)式得: $f=\frac{\sqrt{K}}{2\mathrm{\π}\sqrt{M}}---\left(4\right)$

由(4)式推导得: $M=\frac{K}{{4\mathrm{\π}}^2{f}^2}=\frac{K}{{4\mathrm{\π}}^2}\×\frac{1}{f^2}$ (5)，对于振动装置，K与C均为固有常数，所以式(5)就是表明颗粒物质量M与振动装置振动频率f的关系式，所述基于机械振动装置等效的数学模型在线检测大气颗粒物浓度的方法，其步骤为:使体积为V的空气流通过一个质量为M1、振动频率为f1的大气颗粒物浓度振动测量装置，大气中的颗粒物被所述装置收集；检测所述装置在收集大气颗粒物之后的振动频率f2，并根据所述装置振动频率和质量的对应关系计算出装置加收集的大气颗粒物的总质量M2；大气颗粒物的浓度为： $N=\frac{M2-M1}{V}\×100\%.$

2.一种用于权利要求1所述方法的大气颗粒物浓度振动测量装置，由大气颗粒物收集器(18)、激振器(9)、拾振器(11)和转换放大器(13)组成；所述大气颗粒物收集器(18)在顶部置有空气管道(1)，该空气管道(1)的一端伸入到振动筒(2)，且与振动筒(2)无刚性连接，振动筒(2)的内部置有带透气孔(4)的搁板(5)，搁板(5)的上方置有滤纸(3)、下方连接振动装置；所述振动装置包括:搁板(5)下方的连杆(6)、膜片弹簧(7)、带气阻尼的膜盒(8)以及支撑杆(15)，所述搁板(5)通过连杆(6)连接膜片弹簧(7)、膜片弹簧(7)下端是带气阻尼的膜盒(8)，所述带气阻尼的膜盒(8)通过支撑杆(15)与整个振动装置的基座相连接；所述激振器(9)连接大气颗粒物收集器(18)的振动筒(2)，并将振动的频率输出到拾振器(11)；所述拾振器(11)将检测到的频率信号输出到转换放大器(13)，所述转换放大器(13)将该频率信号转换、放大为电信号。

3.根据权利要求2所述大气颗粒物浓度振动测量装置，其特征是:所述振动筒(2)设在导向筒(17)中、导向筒(17)表面设有通气孔(16)。

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